文章题目：Orchestrating catalytic hotspots and macromolecular architectures: molecular engineering toward zero-waste polymer circularity

出版信息：Adv. Powder Mater. 4(2025)100357.

第一作者：莫凡

通信作者：李海波、张鹏、李俊

塑料废弃物的广泛积累加剧了环境退化，且破坏了资源的循环性。选择性热催化作为将废塑料转化为增值化学品的变革性途径，然而催化活性和产品选择性方面的持续挑战亟需系统性解决。本文综述了热解聚合的前沿进展，集中探讨了两个关键维度：原子尺度的活性位点工程——通过合理设计配位特征和界面结构调控C–C键断裂的能量学及中间体吸附；以及大分子尺度的聚合物瞬态状态调控——通过利用纳米限制效应、链折叠动力学和梯度热裂解作用加速转化动力学。我们进一步突出了原位表征技术的突破，揭示了催化体系中反应坐标随时间变化的演化过程。通过建立多尺度的结构-活性关系，将催化剂构型与聚合物动力学相联系，本分析提出了下一代增值系统的设计范式。这些原则为实现经济可行且工业可扩展的塑料增值提供了路径，并为碳循环经济的战略发展绘制了前进轨迹。

（1）原子到界面的工程化实现了塑料回收中的选择性C-H/C-C键断裂

（2）纳米限制效应操控聚合物中间体以提升转化效率

（3）活性位点几何形态通过结构-性能关系与大分子动力学相关联

（1）核心挑战：塑料污染的深度困境

全球塑料年产量从1950年的200万吨激增至3.8亿吨（2015年），90%以上未被有效回收。传统填埋/焚烧处理导致微塑料生态毒性累积（土壤退化、生物链迁移、致癌物释放）及高碳排放。热催化升级回收需突破三重瓶颈：（i）反应效率矛盾：高温热解（500–600°C）能耗高，且催化剂难以兼顾高转化率与产物选择性（如芳烃）；（ii）原料复杂性：混合塑料（PE/PP/PET等）物化性质相似，分离成本高；（iii）经济性制约：氢气依赖增加运营成本，目标产物附加值不足。

（2）突破路径

（i）催化剂原子级设计：

①活性位精准调控：通过酸强度调节与界面电子重构，协同提升裂解选择性与抗积碳能力；②单原子/ACs创新：打破传统NPs尺度限制，实现甲烷抑制与高值液态燃料定向合成；③仿生限域效应：利用空间约束效应引导聚合物定向断裂，避免碎片深度裂解。

（ii）反应过程智能调控：① 梯级解聚耦合氧化重构：通过分步反应实现长链向高值羧酸的定向转化；②溶剂辅助解缠结策略：降低聚合物链熵垒，提升环化产物效率；③原位动态表征：结合光谱技术与计算模拟，实时解析反应路径与中间态演化机制。

技术路线

（3）未来发展方向

（i）低碳化工艺：①内源氢循环：开发无外源氢气体系，通过吸热-放热反应耦合降能耗；②混合塑料兼容：集成吸附脱毒与正交转化流程，实现多组分协同处理；③高级氧化法可通过预处理降耗、选择性断键解毒和官能团诱导增效三路径，成为低碳化工艺链的关键赋能环节。

（ii）催化剂革命：①自适应界面：构建抗积碳自修复催化系统，保障长周期稳定性；②多活性位协同：融合酸位点与金属位点功能，突破产物选择性极限。

（iii）能源系统集成：①可再生能源驱动：太阳能/电能耦合热催化，实现负碳排放转化；②定向能量输入：时空控制技术精准解聚，提升目标单体收率。

（iv）工业闭环构建：①经济性突破：开发高值化学品联产工艺，缩短投资回收周期；②碳足迹量化：建立工艺全生命周期评估体系，推动工业化落地。

前沿催化技术的战略整合——从原子级精准活性位点工程到模拟酶系统再到AI优化的工艺——将从根本上改变塑料废弃物的增值处理。通过在催化材料设计（例如精确的限域结构）、节能解聚工艺（如超临界水液化、可再生能源驱动的热解）以及闭环制造框架等多个维度上的创新协调，我们可以实现几乎完全的碳循环。这一技术融合，与智能政策激励和全球基础设施共同发展相结合，使零废弃塑料生态系统成为科学上可达成的目标。实现这一愿景需要持续的跨学科合作，以克服在可扩展性和系统集成方面的剩余挑战，最终推动从线性处置向持续资源循环的转变。